智能農業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

李雪純 孟利清 王征

摘 ? 要：針對傳統(tǒng)作物補水模式造成的水資源浪費問題，文章基于Java平臺設計出了一套智能農業(yè)工程監(jiān)控系統(tǒng)。合法身份用戶可以根據個人需要選擇所需的功能模塊，并將參數通過智能網關來傳達和執(zhí)行，從而對系統(tǒng)進行控制管理。管理界面信息比較豐富，包括水源首部、農業(yè)灌溉工程監(jiān)控、出地樁監(jiān)控和地塊閥門信息顯示等主要模塊。另外，通過設定的便捷搜索窗口，能夠在簡短步驟內完成搜索且準確度和速度較高。因此，該智能監(jiān)控系統(tǒng)具有相對較好的應用前景。

關鍵詞：智能農業(yè);智能網關;工程監(jiān)控;便捷搜索

農田灌溉是農業(yè)生產的重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的作物補水模式容易導致水資源浪費，每年有近億畝農田無法得到充足灌溉，農業(yè)缺水量每年可達300億m2 [1-2]。要改變傳統(tǒng)灌溉利用率低的農業(yè)模式必須研究精準水量控制的先進技術，科學利用水資源才能實現(xiàn)高品質、高產量的農業(yè)生產[3-4]。

20世紀80年代Benami和Offen提出了一種基于控制器的土壤水分檢測方法，且能將系統(tǒng)的運行效率和相關硬件等密切結合[5]。Raul Morais等[6]解決了ZigBee網絡的供能問題，把太陽能、風能等資源利用起來并輔以ZigBee技術進行葡萄精密栽培。邱林等[7]基于太陽能光伏技術研制出了一套具有模糊理論控制水電能轉換功能的精準灌溉控制系統(tǒng)。關林芳等[8]基于安卓手機平臺提出了采用無線傳感和通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）的農田灌溉預約模式。

鑒于以上研究，為了給用戶提供更加高效、便捷的服務，本文設計的智能農業(yè)工程監(jiān)控系統(tǒng)是一款基于Java平臺的農業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。用戶需要以合法身份信息登錄平臺并根據自身需要選擇必要的功能模塊，且能依照不同農作物不同生長階段特性進行模塊參數設置。環(huán)境參數和控制模塊可通過智能網關對灌溉系統(tǒng)的相應指令進行傳達和執(zhí)行。經實際驗證該系統(tǒng)能夠滿足對農作物灌溉實時監(jiān)控的需求且效果良好。

1 ? ?系統(tǒng)總體方案設計

此智能信息化農業(yè)工程監(jiān)控系統(tǒng)主要是用來對農業(yè)灌溉進行監(jiān)控管理，合理分析系統(tǒng)的相關參數，對軟件進行控制管理。系統(tǒng)具有便捷的搜索欄，可以快速、準確搜索內容。用戶只需執(zhí)行較少的步驟即可獲取需要的信息。

在服務器的模塊設計方面，賬戶管理模塊可以實現(xiàn)Web服務器登錄、注冊等功能。數據訪問支持模塊可給客戶端提供灌溉信息數據的訪問接口，用于數據查詢。指令控制模塊可接收環(huán)境的調控指令信息，并將其發(fā)送至信息模塊與控制模塊。數據存儲模塊主要儲存灌溉管理系統(tǒng)的用戶信息以及信息模塊和控制模塊的數據等。客戶端接入模塊主要是接收客戶端的訪問請求和建立Socket連接，并實現(xiàn)客戶端和服務器的信息交互。監(jiān)控模塊可以通過攝像頭讓用戶實時觀測到灌溉動態(tài)。下面將對該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的各部分模塊進行介紹。

2 ? ?系統(tǒng)功能模塊設計

2.1 ?水源首部

在水源首部方面，系統(tǒng)可以根據需要對不同的水源首部進行編號，能夠實現(xiàn)對水泵前后管道壓力報警值進行顯示和對三相電的電壓值、電流值、警告值進行輸出顯示。

2.2 ?農業(yè)灌溉工程監(jiān)控

設計的農業(yè)灌溉工程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)不僅能夠將壓力表、水泵的壓力值進行有效顯示，還能完成對三相電流和三相電壓的顯示，并對累計電量、累計水量和瞬時流量進行統(tǒng)計。通過對沖肥閥和吸肥閥開關的控制，實現(xiàn)對施肥池液位高度A和液位高度B的控制。

2.2.1 ?灌溉預報

灌溉預報這一模塊中，根據農作物所處的花期、不同深度土壤的含水量情況對農作物日耗水量進行統(tǒng)計，可以得到空氣溫度、作物日耗水量、降雨量和畝均灌溉量等信息。以1號土地的春玉米為例，對灌溉預報模塊進行功能檢測，檢測時間為7月24日，春玉米處于開花階段，日需水量為5.01 mm;1號土地土壤類型主要以砂壤土為主;當日土壤10 cm含水率21.3%，土壤20 cm含水率為21.0%，土壤40 cm含水率為20.7%，根據作物日耗水量預計未來幾日灌溉情況如表1所示。

2.2.2 ?輪灌組監(jiān)控

在輪灌組監(jiān)控模塊中，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對不同輪灌組、不同閥門累計出水量的顯示和對當前輪灌狀態(tài)的實時監(jiān)控。通過合理預判和評估，還可以預估出下次輪灌執(zhí)行的合理時間，并對灌溉時長、累計次數和輪灌方式進行顯示。

2.2.3 ?水量綜合統(tǒng)計

在水量統(tǒng)計分析模塊中，可以得出累計水量與畝均水量統(tǒng)計圖，能夠對不同出地樁灌溉面積、灌溉時長、累計灌水量和畝均灌水量的基本信息進行分析。

2.2.4 ?水量平衡分析

在水量平衡分析模塊中，可以根據每年12個月份將首部與田間水量進行對比，分析指標包括水源出水量、水源耗電量、田間灌溉量、水源能耗系數和水量平衡狀態(tài)。

2.3 ?出地樁監(jiān)控與地塊、閥門信息

在出地樁監(jiān)控模塊中，可以統(tǒng)計某農作物年灌溉總量、年灌溉時長和年灌溉次數。該系統(tǒng)還能夠輸出不同出地樁的累計流量、瞬時流量、灌溉時長、供電電壓、電池電壓、信號質量、管道壓力、定位情況、警報信息和采集時間等基本信息。

地塊信息模塊可以將地塊編號、名稱、面積、灌溉定額、所屬地域、地塊擁有者和種植時間等進行直觀顯示。

閥門信息模塊可以將閥門編號、名稱、出地樁ID、首部ID、灌溉面積、供電電壓、電池電壓、管道壓力、用戶ID、規(guī)格型號、生產批次、網關編號和名稱顯示出來。

3 ? ?結語

文章基于Java設計的智能農業(yè)工程監(jiān)控系統(tǒng)平臺，能夠為水資源浪費問題提供良好的解決方案。給用戶提供的管理界面信息豐富，包括水源首部、農業(yè)灌溉工程監(jiān)控、出地樁監(jiān)控和地塊閥門信息顯示等主要模塊。便捷搜索窗口可以在簡短步驟內完成搜索且準確度較高、速度較快，為智慧水利發(fā)展提供了參考，在實現(xiàn)最優(yōu)化灌溉方式道路上更前進了一步。在后期優(yōu)化工作中，更要多考慮測量的影響因素，比如地下溫濕度和酸堿度對傳感器的影響等。

[參考文獻]

[1]牟玉娟.我國農業(yè)節(jié)水灌溉現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].山東農業(yè)科學，2014（1）：124-126.

[2]郭珺.我國灌溉水利用系數的預測方法及對策研究[D].邯鄲：河北工程大學，2009.

[3]韓建明，何志剛，錢亞明，等.作物智能化精準節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究[J].江西農業(yè)學報，2012（7）：130-132.

[4]李志博，田軍倉.農田智能灌溉系統(tǒng)的研究進展[J].寧夏工程技術，2019（3）：275-279.

[5]HOLDER R，COCKSHULL K E.Effects of humidity on the growth and yield of glasshouse tomatoes[J].Journal of Horticultural Science，1990（1）：31-39.

[6]RAUL M，SAMUEL G，MATOS，et al.Sun，wind and water flow as energy supply for small stationary data acquisition platforms[J].Computers and Electronics in Agriculture，2008（2）：120-132.

[7]邱林，覃江峰.基于太陽能光伏技術的農田智能化灌溉系統(tǒng)[J].江蘇農業(yè)科學，2016（5）：373-376.

[8]關林芳，胡彧.基于Andriod智能手機的農田灌溉預約系統(tǒng)設計[J].人民長江，2017（S1）：297-300.

Abstract：Aiming at the waste of water resources caused by the traditional crop water supply model， this paper designs a set of intelligent agricultural engineering monitoring system based on Java platform. Legal identity users can select the required functional models according to the needs of the individual and communicate and execute the parameters through the intelligent gateway， so as to control and manage the system. The management interface is rich in information， including the main modules such as water source head， agricultural irrigation project monitoring， exit pile monitoring and block valve information display. In addition， by setting a convenient search window， the search can be completed in short steps with high accuracy and speed. Therefore， the intelligent monitoring system has had relatively good application prospects.

Key words：intelligent agriculture; intelligent gateway; engineering monitoring; convenient search